嵌入式系统设计中RFID技术的应用

RFID(射频识别)技术有潜力成为嵌入式系统设计中的一种常见的重要组成部分。除了在库存管理领域的传统作用以外，RFID标签和高速长距离阅读器的新进展使嵌入式系统设计者能轻松纳入多种特性，比如门禁、防伪、简便支付、医学鉴定、动态定价、产品历史、远程资产跟踪。嵌入式RFID应用一般是把阅读器包含在产品或系统中，以便添加本地数据收集特性，它们增强了产品的基本功能。如今，人们会在酒店、监狱、医院、零售网点、农场、赌场、收费公路、工厂以及多种商用和军用车辆中发现嵌入式RFID应用。随着嵌入式系统开发者认识到这种技术的价值，并且在新设计中采用它，这些非传统RFID应用将成为家常便饭。

　　关于RFID的构想出现于20世纪中期，而如今，它即将成为下一项重大技术。早在第二次世界大战期间，美国军方就在使用早期形式的RFID，用来区分敌我的飞机。首批商用RFID应用是在20世纪70、80年代出现的，用于跟踪和识别单一地点内的物品。但是，在早期部署的RFID当中，许多RFID应用的开发者都把专有技术作为它们的基础，每一种都使用独特的通信方法，并且要求由生产标签的公司提供专门的阅读器硬件。标准化的缺乏导致行业分散、采用速度缓慢，并且实际表现落后于对RFID技术的大肆宣传。如今，开发者正在纠正大多数早期问题，RFID也成为成长中的行业，在物流、门禁、防伪、物品级(item-level)库存、非接触支付和多种新型嵌入式系统应用中有专用系统。

　　RFID技术最基本而又最普遍的用途之一就是EAS(商品电子防盗)系统，零售商用它来发起一场针对入店行窃犯罪的高科技“战争”。这类犯罪使该行业每年损失数十亿美元，损失如此之大，零售商很容易找到理由购买昂贵的电子系统来遏制盗窃。EAS系统采用了大型天线板和各种尺寸的保安标签，前者安装于商店出口，后者挂在高风险商品上。所有EAS系统的基本原理均包括使用发射器和接收器，前者在商店出口区创建电磁场，后者则能检测电磁场里的变化。在经过出口时，保安标签内的小型调谐电路或磁性材料会使电磁场发生足够大的变化，使接收器能检测到变化并启动警报。当顾客购买物品后，店员必须取下保安标签或使其失效，防止在顾客离开商店时响起报警声。

　　反射数据

　　多数较新型RFID体系结构的开发者都把低成本转发器(或称标签)作为体系结构的基础，它们由一块用于数据存储与通信的IC以及一根外部天线组成。标签有两个基本类型：无源型和有源型。无源标签不含电源，并依靠来自阅读器的射频信号在天线中感生小电流，该电流足以发射响应信号。RFID标签通过改变来自阅读器的射频信号的反射能量大小来发射数据。无源标签的工作距离可达30英尺，这取决于阅读器的功率输出、天线结构、工作频率。Bielomatik公司的RF-LoopTag是一种可扩充的天线装置，同时提供短距离和中距离无源RFID标签(图1)。

　　可以用自带电源(如内部电池)的有源RFID标签来显著延长距离。有源标签能以更高的功率级别发射数据，并且一般比无源类型更准确。有源标签一般用于军用车辆或者集装箱等高价物品。RFID系统的天线结构取决于应用、阅读期间的环境、工作频率。

　　政府部门已为RFID分配了几个频带，但在全球并不统一。LF(低频)器件工作于125kHz至134kHz范围，并用于门禁、动物识别、资产跟踪、汽车安全密钥卡等应用。HF(高频)13.56MHz标签用于阅读距离小于3英尺的应用。与其它频带不同的是，HF标签在金属或水附近发射数据时，不易受干扰。860MHz～960MHzUHF(超高频)频带在新应用中很流行，这是因为它的阅读距离为3m～5m，数据交换速率更高。典型的UHF应用包括某些资产跟踪，其中的标签挂于托盘和集装箱，在它们经过装有阅读器的入口时，操作工能发现它们并做记录。

　　过去几年，人们集中精力来为每个频带的标签和阅读器创建一套统一的标准。ISO和IEC已创建了若干包含频率、数据编码方法、RFID技术使用等多个方面的RFID标准。例如，ISO/IEC14443和15693标准为支付系统、非接触智能卡、近程卡中使用的RFID标签定义了通信接口协议。ISO还为RFID标签和阅读器的性能测试创建了标准。另外，ISO/IEC18000系列包含了用于跟踪供应链货物的自动识别系统与物品管理系统专用的空中接口协议。

　　转发器

　　有几家制造商生产标签中使用的RFID转发芯片。例如，德州仪器公司(TI)提供一个Tag-itHF-1加转发器IC产品线，符合ISO/IEC15693全球标准，该标准面向产品验证、门禁、资产标签、供应链管理、票务应用。这些产品提供用户可访问的存储器和一个内容广泛的命令集，前者容量达2048bit，由64个块组成，后者用于选择标签并阅读、写入或锁定存储的数据。这些器件通过一个工厂编程和锁定的唯一识别码来识别出现在阅读器的射频场中的多个转发器。依照ISO/IEC15693，使用工作于高数据速率或低数据速率的ASK或FSK调制来完成阅读器与转发器之间的通信或下行链路通信。转发器的回答方式与阅读器用来询问它的方式相同。该技术对上行链路通信和下行链路通信执行帧同步，并用CRC校验来保证它们的安全。

　　多数嵌入式RFID应用都需要一种专用阅读器作为设计的一部分，以便解释本地标签。自动售货机很好地说明了嵌入式RFID应用。这种机器能借助内置阅读器来接受RFID卡的非接触支付。另外，如果发售的物品有标签，则机器还能了解其库存，以便自动订购补货。小型低成本嵌入式阅读器对于这些应用很关键，TI、SkyeTek、Parallax等公司供应此类阅读器。例如，Parallax公司与GrandIdeaStudio公司合作开发的一种低成本RFID阅读器模块在无源转发器标签中工作，用于门禁、自动识别、机器人、导航、库存跟踪、支付系统、轿车发动机防盗锁等应用(图2)。该模块具有2400bps串口，并需要5V直流电源。Parallax阅读器起价低于40美元。

　　对于更耐久的应用或工业应用，GAORFID公司提供一种UHFRFID读写器，它支持两根外部天线(图3)。236002型工作于902MHz～928MHz频带，面向高速仓储、分销、制造应用。该模块能在7m距离识别以10m/s速度运动的物体。该模块需要12V直流电压，并通过串行RS232或以太网接口通信。

　　嵌入式RFID技术还非常适合于快速桌面赌博，其中的作弊和手法是难以检测的。借助适当的数据记录工具，赌场经营者就能监视参赌者的行动，以便检测*牌的计数，调整奖励，并尽量减少发牌者的错误。例如，InternationalGameTechnology公司和ProgressiveGamingInternational公司联合开发了TableiD桌面赌博自动化系统，它结合了一个基于软件的桌面管理器和一系列RFID芯片扫描模块。最新的RFID赌博芯片工作于13.56MHz，存储容量超过10kbit。在赌博期间，每个位置的芯片阅读器识别并记录每个参赌者的赌注。TableiD系统计算参赌者的下注模式，总结发牌者的活动，并且每小时记录一次参赌者所做的决定。该系统无需用户干预就能自动更新平均赌注和输赢记录等信息。有几家供应商在制造适合于赌桌自动化并基于RFID的赌币。例如，GamingPartnersInternational公司在生产SafechipbyBourgogneetGrasset(图4)。

　　RFID技术正开始在许多应用中取代传统条码。例如，一些图书馆已开始应用RFID标签代替条码，来识别书名、摘要、数据库信息等等信息。在过渡期间，组合系统在读者离馆时能阅读条码或RFID标签。与条码相比，RFID系统提供了几个优势，比如取消了视线要求、允许同时阅读多个标签、数据存储容量更大。RFID标签还能充当保安器件，来确保所有借出的书在离开图书馆之前均已被恰当记录。图书馆卡片可应用RFID标签使读者自助办理离馆手续，由此进一步简化借阅。

　　无芯片RFID

　　制造商已经演示了几种无需转发器IC的RFID系统。例如，制造商可以用特定方式把铝纤维嵌入到印刷文档或包装材料中，使得这些纤维能反射带有识别数据的射频信号。另一种无芯片系统需要使用具有不同磁性的微小化学颗粒。这些化学颗粒在暴露于阅读器的电磁波时变得活跃，并发射一种独特信号，阅读器把它解释为一个二进制数。凭借多达70种可供使用的化学物质，阅读器就能根据物品嵌入的化学混合物来解释它的独特二进制数。印刷电子技术也能把转发电路和天线从专门的喷墨或高速打印机中直接沉积到生产物品或其包装上，来创建与RFID和条码阅读器配合的标签。

　　当RFID应用延伸到消费层面时，设计者必须考虑隐私问题。例如，位于关键地点的阅读器能暗中询问多种使用RFID技术的智能卡、密钥卡、护照、转发器标签。同样，当服装和饰品等常用物品变得可追溯时，营销专家就能轻松地在商店安装低成本阅读器，来阅读服装标签，并更多地了解顾客的购物习惯。借助物品级序列化，软件分析就能确定某位顾客多久以前在何处购买(或者偷窃)了某件物品。零售商把RFID数据与存档的匹配顾客信息结合起来，就能轻松地设计侵入式的营销活动。

　　虽然RFID技术的使用很普遍，但它尚未接近其所有潜力。该技术的支持者经常预言如下情景：人们走进零售店或杂货店，把购物袋装满各种商品，然后不结账就走出商店。RFID阅读器会扫描购物袋中的物品，并自动向人们口袋里的RFID*收取这些物品的费用。现在，由于有多种新型工具和元件供嵌入式系统设计者利用，上述类型的RFID应用也许比人们想象的更接近现实。谨请留意。